固結磨料是用高強度粘結劑把細顆粒磨料粘接起來，使其形成一個獨立的堆積組合體。相較于游離磨料拋光技術，固結磨料拋光的磨粒利用率及CMP加工效率顯著提高，不僅耗材成本有所減少，而且工件的亞表面損傷程度也有了明顯的降低，不過，在傳統的硬質基體固結磨料中，工具與工件的剛性接觸極易造成工件表面及亞表面微破碎、微裂紋以及損傷層等顯著缺陷，難以滿足以光學應用為代表的超精密加工工藝需求。為此，科學家們針對上述局限，對固結磨料進行優化與創新，研發了多種具有自退讓性的軟固結磨料磨具。

來源：蘇州迪特亞五金機械有限公司

軟固結磨料拋光機理

軟固結磨料通常是將磨粒與具有塑性、彈性變形性能較好的基體材料混合制成。拋光時，由于磨料與介質（結合劑或研磨液）的相互作用強度介于一定范圍之內，磨料具有一定范圍內移動能力，其表面不同出露高度的磨粒在拋光壓力的作用下會退讓至同一高度，確保在加工時磨料承擔均勻的壓力，以此來實現工件的微去除。

相比傳統固結磨料與游離磨料，軟固結磨料擁有以下特點：

1、自退讓性：基體具有彈性，使拋光墊表面的磨粒露出高度獲得一定的調整空間，不僅避免了大粒徑的磨粒與加工材料的剛性沖擊，降低材料表面粗糙度值，減小亞表面損傷；而且磨粒利用率也高，在壓力作用下，工件表面能夠接觸到更多的磨粒，從而提高拋光效率。

2、自修整性：彈性基體材料力學性能較弱，更容易損耗，因此更容易使鈍化的磨粒在進一步的摩擦作用下脫落，并露出新的磨粒；

3、環境友好性突出：無需使用成分復雜的拋光液。

軟固結磨料的研發進展

1、彈性基體軟固結磨具

常規固結磨料磨具主要以金屬、陶瓷、酚醛樹脂等作為結合劑材料粘合磨料顆粒以實現特定形狀磨具的制備，而彈性磨具則將磨料顆粒與具有彈性的聚合物基體材料結合，最終得到的磨具擁有一定的柔性。不僅改善了傳統剛性磨具以剛克剛、以硬碰硬的加工模式帶來的諸多弊端，兼顧了磨削加工效率和表面損傷控制，而且具有特定模量的彈性基體磨具能夠通過力位控制與復雜曲面隨形貼合，以實現復雜面型結構工件的超精密加工。

彈性基體軟固結磨具及其與硬質固結磨料的對比

目前，用于制備彈性磨具的常見彈性基體材料包括聚氨酯、橡膠和硅橡膠等。其中，聚氨酯材料 的合成原料較多，成型工藝也較為復雜；橡膠的硬度相對較高，不利于彈性體的變形。而硅橡膠的工藝比較成熟，硬度適中，在彈性基體軟固結磨具的制備中有著廣泛應用。

2、親水性固結磨料拋光墊

親水性固結磨料拋光墊所采用的基體是含有羥基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(-CO)等多種多個親水性自由基的聚合物，如PEG、 PEGMA、TMPTA等。這些聚合物基體具有水溶性和溶脹特性，當水性拋光液中的水分子被這些親水性自由基吸引，并逐漸滲入基體中時，會使原本的聚合物中的高分子長鏈網狀結構變得膨脹和疏松，從而緩解研磨過程中材料表面凹凸不平、機械振動引起的磨粒與加工材料之間的剛性沖擊，改善磨粒切削條件。同時，這一過程也讓基體表面的結合強度降低，對磨粒的把持能力下降，在拋光的過程中基體表面結合力較弱的地方在摩擦力的作用下遭到破壞，棱角鈍化的磨粒在摩擦力的作用下逐漸脫落，次表層的基體材料和新的磨粒露出使拋光繼續進行。

親水性固結磨料拋光墊拋光原理

3、溶膠-凝膠(SG，Sol-gel)拋光工具

溶膠凝膠拋光工具是將磨粒與海藻酸鈉等生物高分子凝膠材料混合，之后利用溶膠凝膠法將其固化制備而成的。目前，日本科研人員Ikeno、Nakamura 等分別利用溶膠凝膠技術制備了新型的 EPD 磨拋丸片和顆粒磨拋盤（GPD），而國內的華僑大學劉娟等則利用該技術制備了用于大面積拋光的凝膠拋光膜，將硅片的表面粗糙度降低到了10nm。

SG拋光工具制備流程圖

由于生物高分子凝膠材料的資源豐富、來源廣泛，不僅可從陸地 植物、海藻中的骨架纖維素、黏液、樹膠、果膠等提取，而且可來自于動物體的糖原、昆蟲與節肢動物的甲殼質，以及微生物發酵進行生物合成，因此利用其作為溶膠凝膠拋光工具的基體具有環保、無污染的制造優勢，不過在機械加工過程中會出現加工破損、存放過 程中出現脫水干裂失效等問題，需要進一步探究凝膠性能的增強方法。

小結

軟固結磨料具有獨特的自退讓性、自修整性以及環保性能，相比傳統固結磨料，磨粒利用率更高，獲得的表面質量更高，在精密拋光領域有著廣泛的應用前景。不過作為一種新型拋光工具，其基體性能強度的提升還需進行進一步研究，以提升其使用壽命。

參考文獻：

1、王家慶.彈性基體軟固結磨料磨具磨拋加工方法研究[D].長安大學.

2、童睿龍.溶膠凝膠拋光膜加工單晶金剛石的實驗研究[D].華僑大學.

3、林瑩超.海藻酸鈉體系凝膠拋光墊的制備及性能研究[D].華僑大學.

4、祁志超.自退讓固結磨料拋光墊的成分優化及性能研究[D].河南科技學院.

5、張天翼.自退讓性固結磨粒拋光墊在化學機械拋光中的接觸機理[D].河南科技學院.

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